נוזלי קירור המבוססים על ננו-פלואידים תרמו-מוליכים
ננו-פלואידים מסונתזים באופן אולטרה-סאונד הם נוזלי קירור יעילים ונוזלי מחליף חום. ננו-חומרים תרמו-מוליכים מגדילים את יכולת העברת החום ופיזור החום באופן משמעותי. סוניקציה מבוססת היטב בסינתזה ובפונקציונליזציה של ננו-חלקיקים תרמו-מוליכים, כמו גם בייצור ננו-פלואידים יציבים בעלי ביצועים גבוהים עבור יישומי קירור.
השפעות ננו-פלואידיות על ביצועים תרמו-הידראוליים
המוליכות התרמית של חומר היא מדד ליכולתו להוליך חום. עבור נוזלי קירור ונוזל העברת חום (הנקרא גם נוזל תרמי או שמן תרמי), רצויה מוליכות תרמית גבוהה. ננו-חומרים רבים מציעים תכונות תרמו-מוליכות נהדרות. על מנת להשתמש בתרומה התרמית המעולה של ננו-חומרים, מה שמכונה ננו-פלואידים משמשים כנוזלי קירור. ננו-פלואידים הם נוזל, שבו חלקיקים בגודל ננומטר תלויים בנוזל הבסיס כמו מים, גליקול או שמן, שם הם יוצרים תמיסה קולואידית. ננו-פלואידים יכולים להגדיל משמעותית את המוליכות התרמית בהשוואה לנוזלים ללא ננו-חלקיקים או חלקיקים גדולים יותר. החומר, הגודל, הצמיגות, מטען פני השטח ויציבות הנוזל של הננו-חלקיקים המפוזרים משפיעים באופן משמעותי על הביצועים התרמיים של ננו-פלואידים. ננו-פלואידים צוברים חשיבות במהירות ביישומי העברת חום מכיוון שהם מראים ביצועי העברת חום מעולים בהשוואה לנוזלי בסיס רגילים.
פיזור קולי הוא טכניקה יעילה ביותר, אמינה ומבוססת תעשייתית לייצור ננו-פלואידים עם יכולות העברת חום בעלות ביצועים גבוהים.
UP400St, מעבד קולי עוצמתי של 400W לייצור ננו-פלואידים בעלי מוליכות תרמית מעולה.
- משטח גבוה: יחס נפח לקצבי העברת אנרגיה ומסה גבוהים משמעותית
- מסה נמוכה ליציבות קולואידית טובה מאוד
- אינרציה נמוכה, אשר ממזערת שחיקה
תכונות אלה הקשורות לננו-פלואידים מעניקים לננו-פלואידים את המוליכות התרמית יוצאת הדופן שלהם. פיזור אולטראסוני הוא הטכניקה היעילה ביותר לייצור ננו-חלקיקים פונקציונליים וננו-פלואידים.
ננו-פלואידים המיוצרים באופן על-קולי עם תרומה תרמית מעולה
ננו-חומרים רבים – כגון CNTs, סיליקה, גרפן, אלומיניום, כסף, בורון ניטריד, ועוד רבים אחרים – כבר הוכחו כמגבירים את התרומה התרמית של נוזלי העברת חום. להלן, תוכל למצוא תוצאות מחקר למופת עבור ננו-פלואידים תרמו-מוליכים שהוכנו תחת אולטרה-סוניקציה.
ייצור ננופלואיד מבוסס אלומיניום עם אולטרסאונד
Buonomo et al. (2015) הדגימו את המוליכות התרמית המשופרת של ננו-פלואידים Al2O3, שהוכנו תחת אולטרה-סוניקציה.
על מנת לפזר ננו-חלקיקי Al2O3 באופן אחיד למים, החוקרים השתמשו באולטרסוניקטור UP400S מסוג גשושית Hielscher. חלקיקי אלומיניום אולטרה-מפוררים ומפוזרים באופן על-קולי הניבו גודל חלקיקים של כ-120 ננומטר עבור כל הננו-פלואידים – באופן בלתי תלוי בריכוז החלקיקים. המוליכות התרמית של ננו-פלואידים עלתה בטמפרטורות גבוהות יותר בהשוואה למים טהורים. עם ריכוז חלקיקי Al2O3 של 0.5% בטמפרטורת החדר של 25 מעלות צלזיוס, העלייה במוליכות התרמית היא רק כ-0.57%, אך בטמפרטורה של 65 מעלות צלזיוס ערך זה עולה לכ-8%. עבור ריכוז נפח של 4% השיפור עולה מ-7.6% ל-14.4% כאשר הטמפרטורה עולה מ-25 מעלות צלזיוס ל-65 מעלות צלזיוס.
[ראה: בונומו ואח', 2015]
התפלגות גודל החלקיקים של ננו-פלואידים בורון ניטריד על בסיס מים עם ריכוז בורון ניטריד שונה לאחר אולטרה-סאונד עם UP400S (a) 0.1% hBN, (b) 0.5% hBN, (c) 2% hBN
(מחקר וגרפים: © אילהאן ואחרים, 2016)
ייצור ננופלואיד מבוסס בורון ניטריד באמצעות סוניקציה
Ilhan et al. (2016) חקרו את המוליכות התרמית של ננו-פלואידים מבוססי בורון ניטריד משושה (hBN). לשם כך מיוצרת סדרה של ננו-פלואידים מפוזרים ויציבים היטב, המכילים ננו-חלקיקי hBN בקוטר ממוצע של 70 ננומטר, בשיטה דו-שלבית הכוללת אולטרא-סאונד וחומרים פעילי שטח כגון נתרן דודציל סולפט (SDS) ופוליוויניל פירולידון (PVP). הננופלואיד hBN-מים המפוזרים באופן אולטרה-סאונד מראה עלייה משמעותית במוליכות התרמית אפילו עבור ריכוזי חלקיקים מדוללים מאוד. סוניקציה עם האולטרסוניקטור UP400S מסוג בדיקה הפחיתה את גודל החלקיקים הממוצע של אגרגטים עד לטווח של 40-60 ננומטר. החוקרים מסיקים כי אגרגטים גדולים וצפופים של בורון ניטריד, שנצפו במצב יבש שלא טופל, נשברים בתהליך אולטרה-סאונד ובתוספת חומרים פעילי שטח. זה הופך את הפיזור העל-קולי לשיטה יעילה להכנת ננו-פלואידים על בסיס מים עם ריכוזי חלקיקים שונים.
[ראה: אילהאן ואח', 2016]
תמונת STEM המציגה מורפולוגיה של ננופלואיד hBN מבוסס אתילן גליקול (EG) המפוזר באופן אולטרה-סוני עם ריכוז נפח חלקיקים של 0.5%.
(מחקר וגרפים: © אילהאן ואחרים, 2016)
“אולטראסוניקציה היא התהליך הנפוץ ביותר בספרות להגברת היציבות של ננו-פלואידים.” [אילהאן ואח', 2016] וגם בייצור תעשייתי, סוניקציה היא כיום הטכניקה היעילה, האמינה והחסכונית ביותר להשגת ננו-פלואידים יציבים לטווח ארוך של ביצועים יוצאי דופן.
אולטראסוניקאטורים תעשייתיים לייצור נוזל קירור
מוכח מדעית, מבוסס תעשייתית – Hielscher אולטרסוניקאטורים לייצור ננופלואיד
מפזרים קוליים בגזירה גבוהה הם מכונות אמינות לייצור מתמשך של נוזלי קירור בעלי ביצועים גבוהים ונוזלי העברת חום. ערבוב מונע על-קולית ידוע ביעילות ובאמינות שלו – גם כאשר חלים תנאי ערבוב תובעניים.
ציוד אולטרסוניקה Hielscher מאפשר להכין לא רעיל, לא מסוכן, חלקם אפילו nanofluids כיתה מזון. יחד עם זאת, כל האולטרסוניקאטורים שלנו יעילים מאוד, אמינים, בטוחים לתפעול וחזקים מאוד. בנוי לפעולה 24/7, אפילו על גבי הספסל שלנו ועל קולי בגודל בינוני מסוגלים לייצר נפחים יוצאי דופן.
קרא עוד על ייצור קולי של ננו-פלואידים או צור איתנו קשר עכשיו כדי לקבל ייעוץ מעמיק והצעה חינם לפיזור קולי!
הטבלה להלן נותן לך אינדיקציה של יכולת עיבוד משוער של ultrasonicators שלנו:
| נפח תצווה | קצב זרימה | התקנים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL / min | מעלהay |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 ל 20L | 0.2 ל 4 ליטר / דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10L / min | UIP4000hdT |
| 15 עד 150 ל' | 3 עד 15 ליטר לדקה | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 עד 100L / min | UIP16000 |
| N.A. | יותר גדול | אשכול UIP16000 |
תיצור איתנו קשר! / שאל אותנו!
Hielscher אולטרסוניקה מייצרת הומוגניזרים אולטראסוניות ביצועים גבוהים עבור ערבוב יישומים, פיזור, אמולסיה וחילוץ על מעבדה, טייס בקנה מידה תעשייתי.
ספרות/הפניות
- B. Buonomo, O. Manca, L. Marinelli, S. Nardini (2015): Effect of temperature and sonication time on nanofluid thermal conductivity measurements by nano-flash method. Applied Thermal Engineering 2015.
- Beybin İlhan, Melike Kurt, Hakan Ertürk (2016): Experimental investigation of heat transfer enhancement and viscosity change of hBN nanofluids. Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 77, 2016. 272-283.
- Oldenburg, S., Siekkinen, A., Darlington, T., Baldwin, R. (2007): Optimized Nanofluid Coolants for Spacecraft Thermal Control Systems. SAE Technical Paper, 2007.
- Mehdi Keyvani, Masoud Afrand, Davood Toghraie, Mahdi Reiszadeh (2018): An experimental study on the thermal conductivity of cerium oxide/ethylene glycol nanofluid: developing a new correlation. Journal of Molecular Liquids, Volume 266, 2018, 211-217.
עובדות שראוי לדעת
מדוע ננו-פלואידים טובים ליישומי קירור והעברת חום?
סוג חדש של נוזלי קירור הם ננו-פלואידים המורכבים מנוזל בסיס (למשל, מים), המשמש כנוזל נשא עבור חלקיקים בגודל ננו. ננו-חלקיקים ייעודיים (לדוגמה, CuO בגודל ננו, אלומינה טיטניום דו-חמצנית, ננו-צינוריות פחמן, סיליקה או מתכות כגון נחושת, ננו-רודים כסופים) המפוזרים לתוך נוזל הבסיס יכולים לשפר את יכולת העברת החום של הננו-פלואיד המתקבל באופן משמעותי. זה הופך את הננו-פלואידים לנוזלי קירור יוצאי דופן בעלי ביצועים גבוהים.
שימוש בננו-פלואידים המיוצרים במיוחד המכילים ננו-חלקיקים תרמו-מוליכים מאפשרים שיפורים משמעותיים בהעברת החום ובפיזור אותו; לדוגמה, ננו-מוטות כסף בקוטר 55±12 ננומטר ובאורך ממוצע של 12.8 מיקרומטר ב-0.5 וולט.% הגדילו את המוליכות התרמית של מים ב-68%, ו-0.5 vol.% מננו-רודים כסופים הגדילו את המוליכות התרמית של נוזל קירור על בסיס אתילן גליקול ב-98%. ננו-חלקיקי אלומינה ב-0.1% יכולים להגדיל את שטף החום הקריטי של מים בשיעור של עד 70%; החלקיקים יוצרים משטח נקבובי מחוספס על העצם המקורר, מה שמעודד היווצרות של בועות חדשות, והאופי ההידרופילי שלהם עוזר לדחוף אותם, מה שמעכב את היווצרות שכבת הקיטור. ננופלואיד עם ריכוז של יותר מ-5% מתנהג כמו נוזלים שאינם ניוטוניים. (ראה: אולדנבורג ואח', 2007)
תוספת של ננו-חלקיקי מתכת לנוזלי קירור המשמשים במערכות בקרה תרמית יכולה להגדיל באופן דרמטי את המוליכות התרמית של נוזל הבסיס. חומרים מרוכבים ננו-חלקיקי מתכת כאלה מכונים ננו-פלואידים ולשימוש בהם כנוזלי קירור יש פוטנציאל להפחית את דרישות המשקל וההספק של מערכות בקרה תרמית של חלליות. המוליכות התרמית של ננו-פלואידים תלויה בריכוז, בגודל, בצורה, בכימיה של פני השטח ובמצב הצבירה של הננו-חלקיקים המרכיבים. נבדקו ההשפעות של ריכוז ההעמסה של ננו-חלקיקים ויחס הגובה-רוחב של הננו-חלקיקים על המוליכות התרמית והצמיגות של נוזלי קירור על בסיס מים ואתילן גליקול. ננו-רודים כסופים בקוטר של 55 ± 12 ננומטר ואורך ממוצע של 12.8 ± 8.5 מיקרומטר בריכוז של 0.5% לפי נפח הגדילו את המוליכות התרמית של המים ב-68%. המוליכות התרמית של נוזל קירור על בסיס אתילן גליקול הוגדלה ב-98% עם ריכוז העמסת ננו-רוד כסוף של 0.5% לפי נפח. לננו-רודים ארוכים יותר הייתה השפעה גדולה יותר על המוליכות התרמית מאשר ננו-רודים קצרים יותר באותה צפיפות העמסה. עם זאת, ננו-רודים ארוכים יותר גם הגדילו את צמיגות נוזל הבסיס במידה רבה יותר מאשר ננו-רודים קצרים יותר.
(אולדנבורג ואח', 2007)
Hielscher אולטרסוניקה מייצרת homogenizers קולי ביצועים גבוהים מ מַעבָּדָה ל גודל תעשייתי.